“史密斯圆图”讲解
发表日期 : 2022-06-23

The Complete Smith Chart-Black Magic Design

1.什么是“史密斯原图”

该图表是由菲利普·史密斯(Phillip Smith)于1939年发明的,当时他在美国的RCA公司工作。史密斯曾说过,“在我能够使用计算尺的时候,我对以图表方式来表达数学上的关联很有兴趣”。

史密斯图表的基本在于以下的算式。

当中的Γ代表其线路的反射系数(reflection coefficient)

即S参数(S-parameter)里的S11,ZL是归一负载值,即ZL / Z0。当中,ZL是线路本身的负载值,Z0是传输线的特征阻抗(本征阻抗)值,通常会使用50Ω 。

图表中的圆形线代表电阻抗力的实数值,即电阻值,中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值,即由电容或电感在高频下所产生的阻力,当中向上的是正数,向下的是负数。图表最中间的点(1+j0)代表一个已匹配(matched)的电阻数值(ZL),同时其反射系数的值会是零。图表的边缘代表其反射系数的长度是1,即100%反射。在图边的数字代表反射系数的角度(0-180度)和波长(由零至半个波长)。

有一些图表是以导纳值(admittance)来表示,把上述的阻抗值版本旋转180度即可。

 

简单的说:就是类似于数学用表一样,通过查找,知道反射系数的数值。

2.“史密斯原图”来源

首先,需要理解什么电阻、电容、电感的阻抗:

在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一个复数,实际称为电阻,虚称为电抗,其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗, 电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。 阻抗的单位是欧姆。

 

R,电阻:在同一电路中,通过某一导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比,这就是欧姆定律。

标准式:Ohm's law 。(理想的电阻就是实数,不涉及复数的概念)。

如果引入数学中复数的概念,就可以将电阻、电感、电容用相同的形式复阻抗来表示。既:电阻仍然是实数R(复阻抗的实部),电容、电感用虚数表示,分别为:

Z= R+i( ωL–1/(ωC))

说明:负载是电阻、电感的感抗、电容的容抗三种类型的复物,复合后统称“阻抗”,写成数学公式即是:阻抗Z= R+i(ωL–1/(ωC))。其中R为电阻,ωL为感抗,1/(ωC)为容抗。

(1)如果(ωL–1/ωC) > 0,称为“感性负载”;

(2)反之,如果(ωL–1/ωC) < 0称为“容性负载”。

 

阻抗公式,它不再是一个实数。它因为电容、电感的存在,它变成了一个复数。

在一个复平面里面,以实部为x轴、以虚部为y轴,表示任意一个复数。这时的阻抗,不管多少电阻、电容、电感串联、并联,之后,都可以表示在一个复平面里面。

 

各种阻抗的情况,组成了这个无穷大的平面,成为了“史密斯圆图”。

 

关于信号反射

信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么它就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。

 

衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值。

 

为了减少未知参数的数量,可以固化一个经常出现并且在应用中经常使用的参数。这里Z0 (特性阻抗)通常为常数并且是实数,是常用的归一化标准值,如 50Ω 、75Ω、100Ω和600Ω。

 

3.“史密斯圆图”用途:

史密斯圆图,就是做高频电路之间的阻抗匹配用的。

阻抗是电路对电的阻碍能力,是一个矢量。阻抗值是一个复数。阻抗匹配是电路连接的基本要求之一。阻抗不匹配会导致电路工作效率低,工作异常,甚至直接烧毁。对于高频电路的阻抗匹配,简单来说就是输入端电阻和输出端电阻是纯阻性,如等于50欧姆或者75欧姆。

史密斯圆图的主要用途,一是计算接到电路里的那些电容器、电感器的参数值的。二是用来显示某一电路的频率—阻抗特性。

 

阻抗匹配

阻抗匹配(Impedancematching)是微波电子学里的一部分,负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态,主要用于传输线上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共轭关系,即电阻成份相等,电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共轭匹配。

4.“史密斯圆图”怎么用?

史密斯圆图相当于一个地图,上面的每一个点,都代表一个复数形式的阻抗值,其圆心叫做匹配点,它一般代表了实部50欧姆 ,虚部0欧姆的理想阻抗。阻抗匹配,就是规划一条从阻抗点到匹配点的线路。

 

简单来说,就是看一线,两弧和两圆。

史密斯圆图上的每个点,都有实部值和虚部值,图上的线也是两种,实部线和虚部线。看图就是沿等虚部线,找到实部值,再沿等实部线找到虚部值。

一线和两弧,都是等虚部线;两圆,是等实部线。

一线:电阻线。把圆图分为上下两个半区。上半部分为电感区,该区域所有点的虚部值为正;下半部分为电容区,该区域所有点的虚部值为负。电阻线本身的虚部阻抗值不正不负,上面的每个点的阻抗值均为0欧姆。

电阻线的中间点即圆心,就是标准阻值,通常为 50欧姆 。

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